Prova de trabalho (PoW) é semelhante a certificações da vida real, como diplomas ou carteiras de motorista, onde a validação é alcançada por meio de exames (por exemplo, passar em testes relevantes). No mundo criptográfico, a PoW serve como modelo de consenso fundamental para redes blockchain, estabelecendo o padrão para nós alcançarem consenso. Este modelo confirma transações e gera novos blocos na blockchain, estabelecendo um mecanismo de incentivo que recompensa os nós que geram blocos com sucesso.

A Proposta de PoW

A pesquisa acadêmica relacionada ao PoW começou no início dos anos 1990. Em 1993, a cientista da computação americana e professora da Universidade de Harvard, Cynthia Dwork, propôs o conceito de PoW para lidar com problemas de e-mail de spam. Em 1997, Adam Back inventou a tecnologia HashCash, aplicando o mecanismo PoW para combater ataques de negação de serviço e abuso de e-mail de spam. Isso exigia que cada remetente de e-mail realizasse uma pequena quantidade de cálculo de hash, causando intencionalmente um breve atraso.
A tecnologia HashCash foi posteriormente amplamente utilizada para filtragem de spam e implementada pela Microsoft em produtos como Hotmail, Exchange e Outlook. Em 2008, Satoshi Nakamoto aplicou o conceito de PoW ao consenso da blockchain no artigo seminal “Bitcoin: Um Sistema de Dinheiro Eletrônico Peer-to-Peer”, introduzindo o algoritmo de consenso PoW para o sistema Bitcoin.

Princípio

O algoritmo de consenso PoW é baseado em funções de hash. Para uma determinada string de entrada s, a função de hash H(s) produz uma saída de comprimento fixo, e o cálculo de H(s) é eficiente. As funções de hash usadas em sistemas de blockchain como Bitcoin e Ethereum devem atender aos seguintes três critérios:

1. Resistência à colisão: Deve ser improvável que dois inputs diferentes produzam a mesma saída de hash.
2. Irreversibilidade: Dado uma saída de hash H(s), deve ser computacionalmente inviável reverter o input sss.
3. Imprevisibilidade: Além de métodos de força bruta, nenhum outro método deve ser capaz de produzir uma entrada que se hash a um valor-alvo específico.

Como Funciona

O algoritmo de consenso PoW segue estes passos:

1. Definindo o nível de dificuldade: O sistema especifica um valor de dificuldade global, que determina o resultado da computação de hash necessário para o próximo bloco. Geralmente, o valor de hash deve ser inferior a um certo limiar. À medida que a rede se expande, o nível de dificuldade aumenta, e o sistema ajusta periodicamente a dificuldade.
2. Empacotamento de transações: Os nós coletam várias mensagens de transação e as empacotam no corpo de um novo bloco.
3. Montagem do cabeçalho do bloco: Os nós montam o cabeçalho do bloco, que normalmente inclui o valor hash do bloco anterior, o valor hash das transações no novo bloco, o valor de dificuldade atual, um carimbo de data e hora e um valor de nonce aleatório.
4. Cálculo de hash: Os nós usam o algoritmo de hash especificado (por exemplo, duplo SHA-256 no Bitcoin) para calcular o hash do cabeçalho do bloco. Se o hash não atender aos requisitos de dificuldade, os nós modificam o nonce e recalculam o hash. O nó que calcula com sucesso um hash que atende aos requisitos de dificuldade transmite o novo bloco para a rede.
   
5. Verificação e aceitação: Nós que recebem o bloco transmitido verificam sua validade (por exemplo, fazendo hash duplo SHA-256 do cabeçalho do bloco no Bitcoin). Se a verificação for bem-sucedida, eles aceitam o novo bloco e o adicionam à sua cópia local do livro-razão distribuído.
6. Competição pelo próximo bloco: Nós começam a competir pelo direito de adicionar o próximo bloco.
   No algoritmo PoW, apenas o nó que primeiro calcula um hash que atenda aos requisitos de dificuldade ganha o direito de adicionar o novo bloco ao livro-razão distribuído. Outros nós então replicam o novo bloco para manter a consistência em todo o livro-razão distribuído.

Limitações

O algoritmo de consenso PoW depende do poder computacional para alocar o direito de registrar transações. À medida que a escala das redes blockchain cresce, isso resulta em um desperdício significativo de recursos computacionais e eletricidade. Em 2020, a rede Bitcoin consumiu 134,89 bilhões de quilowatts-hora, equivalente ao consumo anual de eletricidade de uma província. Este alto consumo de energia é uma grande limitação do PoW.
Além disso, o longo tempo de computação do algoritmo de consenso PoW resulta em tempos de espera prolongados para obter direitos de gravação, prolongando assim os ciclos de confirmação de transações e reduzindo a eficiência na geração de blocos. Por exemplo, o Bitcoin gera um bloco aproximadamente a cada 10 minutos, limitando suas transações por segundo (TPS) e destacando as limitações de eficiência do algoritmo de consenso PoW.